1、背景簡(jiǎn)介
隨著中國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，在造船業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、煤炭綜采、礦山機(jī)械、石油化工、橋梁建筑等行業(yè)對(duì)寬厚板的總體需求量增加的同時(shí)，對(duì)高等級(jí)高強(qiáng)度鋼板的需求也不斷增加。近年來，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)越來越重視高附加值、高技術(shù)含量產(chǎn)品的投入和生產(chǎn)，尤其是在目前鋼鐵行業(yè)處于低迷狀態(tài)下，高附加值產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)更加明顯。越來越多的寬厚板生產(chǎn)線均配置了相關(guān)熱處理設(shè)備，并采用熱處理技術(shù)來生產(chǎn)高技術(shù)含量、高附加值、高市場(chǎng)容量的寬厚板產(chǎn)品。對(duì)全國(guó)寬厚板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。
雖然我國(guó)中厚板生產(chǎn)線的裝備水平有了很大的提高，特別是近幾年我國(guó)又新建了不少現(xiàn)代化的中厚板生產(chǎn)線，采用了控制軋制和控制冷卻技術(shù)，也能生產(chǎn)一些高附加值的鋼板，在一定程度上可以代替熱處理，但是一些高強(qiáng)度的鋼板如低溫壓力容器板、電廠鍋爐板、工程機(jī)械用鋼板，耐磨鋼板等在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定必須以熱處理狀態(tài)交貨，這就要求我們必須對(duì)寬厚板的熱處理進(jìn)行研究。
2、主要合金元素對(duì)鋼熱處理的影響
C作為鋼中重要的元素之一，其含量直接影響鋼的硬度、韌性、強(qiáng)度、淬硬性和焊接性能。含碳量高，硬度高，但韌性差，熱處理開裂傾向大，焊接性較差；含碳量過低，硬度低，淬硬性、耐磨性差。
Si在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。Si提高鋼中固溶體的強(qiáng)度；但Si含量過高，鋼的過熱敏感性大。
Mn是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，隨其含量的增加，不但降低共析溫度，還降低共析點(diǎn)的含碳量。因此，在相同含碳量及冷卻速度下，隨著鋼中含Mn量的增加，顯微組織中的珠光體不但細(xì)化，而且數(shù)量亦增多．從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度和硬度升高，能顯著提高鋼的淬透性。Mn的不利一面是增大鋼的過熱敏感性，晶粒易粗大；另外，還增大回火脆性。
Cr含量對(duì)材料的強(qiáng)度、塑性和低溫沖擊韌性均有較大影響，這是由于Cr能固溶于鐵素體和奧氏體中，與鋼中的C形成多種碳化物。Cr固溶于奧氏體時(shí)，可提高鋼的淬透性。當(dāng)Cr與C形成復(fù)雜碳化物并在鋼中彌散析出時(shí)，可起到彌散強(qiáng)化作用。但是Cr在鋼中起強(qiáng)化作用的同時(shí)亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。
就調(diào)質(zhì)鋼而言，Mo含量的增加，材料的強(qiáng)度、塑性和低溫沖擊韌性均有較大提高。由于Mo固溶于鐵素體和奧氏體時(shí)，可使鋼的C曲線右移，從而顯著提高鋼的淬透性，而且Mo能顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度，提高回火穩(wěn)定性，調(diào)質(zhì)后可獲得細(xì)晶粒的索氏體，使強(qiáng)韌性得到改善。當(dāng)形成Mo的碳化物時(shí)，可起到彌散強(qiáng)化作用。當(dāng)Mo含量較低時(shí)(<0.30%)，主要以固溶強(qiáng)化、提高淬透性和回火穩(wěn)定性為主。
Ni可提高調(diào)質(zhì)鋼的淬透性，并能改善鋼在低溫下的韌性，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降。隨Ni含量的增加，材料的強(qiáng)度和塑性均有提高，特別對(duì)低溫沖擊韌性提高幅度比較大。這是由于Ni在鋼中只形成固溶體，而且固溶強(qiáng)化作用不明顯，而主要是通過在塑性變形時(shí)增加晶格滑移面來提高材料塑性。
微量B能使鋼的淬透性顯著提高。目前較為一致的看法是奧氏體在淬火冷卻過程中硼原子偏聚于晶界上，降低晶界能，抑制了鐵素體的形核，推遲鐵素體的形成，同時(shí)晶界上的硼原子也阻滯晶界原子的擴(kuò)散，使鐵素體在晶界上擴(kuò)散形核減緩，從而增加淬透性。
3、 寬厚板熱處理工藝簡(jiǎn)介
熱處理是通過不同的加熱制度、保溫時(shí)間、及冷卻速度，使鋼的成分與組織發(fā)生擴(kuò)散、再結(jié)晶的變化，也可促進(jìn)或阻止其組織與成分的轉(zhuǎn)變、析出，以期達(dá)到所要求的組織和性能。
鋼板熱處理的目的是提高鋼板強(qiáng)度、改善韌性與焊接性、清除內(nèi)應(yīng)力、防止白點(diǎn)、降低脆性與表面硬度。熱軋性能不穩(wěn)時(shí)，熱處理還可調(diào)整其性能，挽救性能不合格所造成的損失。熱處理不當(dāng)會(huì)造成鋼板下表面劃傷，冷卻不勻會(huì)引起鋼板變形及淬火鋼板的不平直。另外，還會(huì)增加能耗、提高成本費(fèi)用等。
中厚鋼板熱處理的主要方式有正火(常化)、調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火(DQ)、直接淬火+回火等。
其中，處理量最大的是正火板，包括正火+回火，大約占所有熱處理產(chǎn)品的70％左右；其次是調(diào)質(zhì)板，占15％左右；其它如回火等占15％。
3. 1 正火
正火（Normalizing ）也叫常化或正常化，是將鋼材或鋼件加熱到Ac3(或Accm)以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。其目的在于使上一道工序中產(chǎn)生的非正常組織(如鐵素體晶粒粗大、魏氏組織、帶狀組織、非鐵素體+珠光體組織產(chǎn)物等亞共析鋼組織缺陷)通過重結(jié)晶、均勻化組織予以改善(對(duì)低碳鋼為細(xì)小等軸鐵素體+均勻分布的塊狀珠光體組織)，從而改善其力學(xué)性能和工藝性能。
正火可以作為預(yù)備熱處理，也可以作為最終熱處理。對(duì)機(jī)加工零件的結(jié)構(gòu)鋼來說，正火多半作為預(yù)備熱處理，為隨后的切削加工和最終熱處理做組織準(zhǔn)備；對(duì)低碳低合金鋼板來說，正火都是作為最終熱處理，使鋼板具有所要求的組織，從而使其具有所要求的力學(xué)性能和工藝性能。
鋼板正火處理后晶粒細(xì)、碳化物分布均勻，力學(xué)性能良好。正火工藝可使目前普遍應(yīng)用的以Nb、V、Ti等強(qiáng)碳氮化物形成元素的低(微)合金高強(qiáng)度鋼板的延伸、低溫沖擊韌性和冷彎性能大幅改善。
但值得注意的是，正火在提高熱軋低碳低合金鋼板的工藝性能的同時(shí)，往往降低鋼的強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度一般降低20～50MPa，對(duì)于控軋控冷鋼板嚴(yán)重的可降低80～120MPa。因此，為保證鋼板的交貨性能，在正火鋼板成分設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)不同于一般控軋控冷鋼板，可適當(dāng)增加C、Mn等固溶強(qiáng)化元素以提高強(qiáng)度(注意碳當(dāng)量指標(biāo)不要過但這兩項(xiàng)指標(biāo)高)，雖然熱軋后鋼板的延伸率或沖擊功有所降低，在正火處理后會(huì)有大幅提高。
3. 2 調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)
淬火（Quenching ）是把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度(Vc)冷卻，以得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法。目的：提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性。
淬火后的鋼隨著溫度的升高，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、碳化物的轉(zhuǎn)變、α相狀態(tài)的變化及碳化物的聚集長(zhǎng)大等一系列過程，稱為回火(Tempering )。回火按溫度分為低溫回火、中溫回火和高溫回火，分別得到回火馬氏體、回火托氏體和回火索氏體組織。目的：減少或消除淬火應(yīng)力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合。
調(diào)質(zhì)即淬火+高溫回火，近年來，超級(jí)鋼、超低碳貝氏體鋼等生產(chǎn)技術(shù)蓬勃發(fā)展，許多傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度450MPa以上的鋼板利用超細(xì)晶等技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)，但對(duì)于壓力容器、石油儲(chǔ)罐、橋梁、軍工等重要結(jié)構(gòu)鋼板，很多標(biāo)準(zhǔn)和用戶還是要求鋼板以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨。因此，一條現(xiàn)代化的調(diào)質(zhì)鋼板生產(chǎn)線對(duì)于提高中厚鋼板廠的產(chǎn)品檔次是不可或缺的。
調(diào)質(zhì)代表鋼種有油罐鋼SPV490Q、14MnNbq、軍工板921、模具鋼P(yáng)20等。目前，調(diào)質(zhì)熱處理線都是采用輥底式爐快速出爐后面配套輥壓式淬火機(jī)。
3. 3 正火+控冷(+回火)
常化爐除處理“雙高”產(chǎn)品外，另一大作用是挽救很多熱軋后延伸或沖擊不合產(chǎn)品，減少改判率。但隨之而來的一個(gè)問題是一些延伸、沖擊不合需挽救的產(chǎn)品本身強(qiáng)度富裕量小，容易導(dǎo)致處理后強(qiáng)度反而不合。這除了在正火溫度、時(shí)間上可以做一些調(diào)整外，還可以應(yīng)用正火+控冷(+回火)工藝。
為防止很多鋼板正火后強(qiáng)度大幅降低，目前國(guó)內(nèi)武鋼、舞鋼、重鋼、太鋼等都開發(fā)了正火+控制冷卻的工藝，利用爐后淬火機(jī)或簡(jiǎn)易水冷設(shè)施等進(jìn)行正火后弱水冷(水霧等)的工藝，可較好地彌補(bǔ)鋼板的強(qiáng)度損失，依據(jù)太鋼經(jīng)驗(yàn)，鋼板強(qiáng)度可提高10MPa。對(duì)于控制冷卻后鋼板性能波動(dòng)較大的鋼種或ASTM (美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))中規(guī)定正火后加速冷卻必須回火的鋼種還可應(yīng)用正火+控冷+回火工藝。
3. 4 正火+回火
在鍋爐壓力容器鋼板處理中采用較多，尤其是Cr-Mo鋼多采用正火+高溫回火。
3. 5 淬火+低溫回火
對(duì)于耐磨鋼等要求表面硬度較高的鋼種多采用淬火+低溫回火。
3. 6 在線直接淬火(DQ)+回火
該技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來發(fā)展的新技術(shù)。利用軋后的直接淬火設(shè)施(30mm以下較容易)實(shí)施鋼板在線直接淬火，然后進(jìn)行離線的回火處理，可大大節(jié)約熱處理成本。目前在生產(chǎn)高強(qiáng)度低碳貝氏體鋼、油罐鋼等鋼種時(shí)采用較多。
4、 Q550D回火工藝研究
Q550D采用Cr－Mo－V－Nb－Ti合金體系。圖4-1是TMCP工藝后鋼板金相組織。
圖4-1 Q550D軋態(tài)組織
由組織可看出，鋼板組織為貝氏體和少量鐵素體，晶粒尺寸細(xì)小，由于冷速快，依稀可見原始奧氏體晶界。
為了研究回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響，對(duì)軋態(tài)鋼板取樣，分別進(jìn)行450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃、850℃，保溫30min回火試驗(yàn)，對(duì)回火后鋼板進(jìn)行力學(xué)性能和沖擊性能檢驗(yàn)，在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。圖4-2、圖4-3 分別為回火溫度對(duì)力學(xué)性能和沖擊性能的影響。
圖4-2回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響
從圖4-2可以看出，隨著回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度整體呈現(xiàn)出先上升再下降的過程：其中，550℃之前緩慢上升，550℃到650℃之間顯著上升，650℃以后逐漸下降，在650℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到610MPa。主要是因?yàn)樵诨鼗疬^程中，會(huì)有各種碳化物的析出，，550℃之前碳化物析出緩慢，超過600℃后，碳化物析出加快，加上軋制過程中的大量形變位錯(cuò)被保留下來，由于位錯(cuò)密度高，碳化物形核率高，導(dǎo)致析出的碳化物細(xì)小，屈服強(qiáng)度顯著提高。超過700℃后，已經(jīng)開始組織轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度自然迅速下降。
抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但下降緩慢，回火溫度每升高50℃，抗拉強(qiáng)度只下降5-10Mpa，抗回火性能良好，這是TMCP＋T工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)。延伸率在500℃后呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，650℃時(shí)達(dá)到17％。
圖4-3回火溫度對(duì)沖擊功的影響
由圖4-3可看出，隨著溫度的升高，沖擊功呈現(xiàn)升高下降再升高的趨勢(shì)，在650℃時(shí)達(dá)到258J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的47J。圖4-4為不同回火溫度后鋼板金相組織。
(a) 550℃+30min
(b) 650℃+30min
(c) 850℃+30min
圖4-4不同回火溫度后鋼板金相組織
綜上所述，Q550D鋼板在650℃左右回火，保溫30min可達(dá)到強(qiáng)度、塑性和韌性的良好匹配，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。
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